满足未来柴油机要求的燃油系统与增压系统的匹配问题

1、满足未来车用柴油机要求的燃油系统与增压系统的匹配 居钰生 1金兴才 2(1. 中国第一汽车集团公司无锡油泵油嘴研究所,江苏无锡 214063; 2. 苏州建设交通高等职业技术学校,江苏苏州 215154摘要:介绍了柴油机的最新进展情况, 分析了未来柴油机的主要要求和技术发展 方向以及对燃油喷射系统和增压系统的要求, 并对满足未来车用柴油机要求的燃 油系统和增压系统匹配的关键问题进行了讨论。关键词:车用柴油机,燃油喷射系统,增压系统,增压器,匹配中国分类号:文献标识码:The Matching of Fuel Injection System and Boosting System for th

2、e Future Requirements of Diesel Engines JU Yu-sheng1, JIN Xing-cai2(1. Wuxi Fuel Injection Equipment Research Institute under China FAW Group Corporation, Wuxi 214063, China; 2. Suzhou Institute of Construction & Communications, Suzhou 215154, ChinaThe recent development, future requirements and

3、 directions of diesel engines are introduced. Then the requirements of future diesel engines on the fuel injection system and turbocharging system are analyzed. At last the key points matching fuel injection system with turbocharging system to meet the future requirements of diesel engines are discu

4、ssed.Key Words: vehicle diesel engine; fuel injection system; turbocharging system; turbocharger; matching引言内燃机作为一种通过在气缸内进行的燃烧、 膨胀和作功等过程将燃料中的化 学能转变为机械能的热力发动机, 是迄今为止热效率最高、 动力性能最好、 体积 最紧凑、重量最轻巧、制造成本较低的原动力装置,在各行各业、各个领域都有 广泛应用。然而,随着能源紧缺、油价高涨、环境污染和全球气候变暖等一系列 问题日益突出, 世界各国都把节能、 减少污染物和温室效应气体排放等工作放在 突出的首要地位,

5、并且相继制订了日益严格的节能和控制排放的法规。所以说, 节约燃油(能源消耗、减少排放污染,即寻求内燃机的高效清洁燃烧,实现内 燃机工业的可持续发展是内燃机工作者不断追求、 不断努力的目标, 也是内燃机 领域的永恒的课题。1 柴油机独特的技术优势在过去 20多年中,由于柴油机在高压燃油喷射技术、增压技术、燃烧控制 技术以及排放后处理技术等方面取得了巨大的进步,使得它在动力性(升功率、 升扭矩、 低速扭矩 、 经济性 (燃油消耗率、 运行使用成本 和温室效应气体 (CO 2 排放等方面与汽油机相比具有独特的优越性而受到了广泛的关注, 应用领域越来 越广, 不但在重型商用车领域占有绝对统治的地位,

6、具有不可替代的作用, 而且 在轻型汽车和乘用车辆(尤其是轿车中的应用也是与日俱增。现在,在欧洲新 登记的轿车和轻型汽车中采用柴油机的比例都已经超过 53%。 在美国, 虽然, 目 前柴油轿车的市场份额还不到 1%, 轻型汽车的柴油化率也只有 5%6%。 但是, 随着石油价格的不断上涨和柴油机的技术水平不断提高, 柴油轿车在美国的销售 形势也出现了积极的现象。据有关研究表明,到 2015年,在美国轻型车辆和轿 车领域,柴油车的市场份额将提高到大约 15%。 1图 1为柴油机与汽油机升功率和平均有效压力的比较。 它表示在相同的转速 下,柴油机通常具有更高的升功率和平均有效压力。图 2为柴油机与汽油

7、机升扭矩的比较。 由图 2可见, 在升功率相同的情况下, 柴油机具有更高的升扭矩。图 3为柴油机与汽油机低速扭矩的比较。 这说明, 在功率相同的情况下, 柴 油机的低速扭矩比汽油机大得多。图 4为在相同平均有效压力下柴油机和汽油机燃料消耗率的比较。 图 5为柴 油机和汽油机的 CO 2排放与车辆净质量的关系。从图 4和图 5可以看出,柴油 机的燃油消耗率和 CO 2排放量要比汽油机低得多,大约为 35%,因此,柴油机 比汽油机具有很大的优越性。 即使汽油机也采用缸内直喷增压稀薄燃烧等先进技术,柴油机仍然能比汽油机节油约 30%。节能、应对全球气候变暖、减少 CO 2排放、实行高的燃料税等都是有

8、利于 柴油机发展的一系列因素。 图 3柴油机和汽油机低速扭矩比较图 4 柴油机与汽油机燃油消耗率比较 图 5 汽油机、缸内直喷式汽油机和高速直喷式柴油机 CO 2排放比较图 2 柴油机与汽油机升扭矩的比较图 1 柴油机与汽油机升功率和平均有效压力的比较图 6 欧洲柴油机升功率的变化2 车用柴油机的技术进步过去 20年多来,在节能、减排和用户的各种要求的驱动下,电控高压燃油 喷射技术、增压和增压中冷技术、燃烧和排放控制技术、电子技术和新材料、新 工艺等各方面都取得了长足的进步,从而大大推动了柴油机技术的进步。图 6为欧洲轿车柴油机升功率的发展变化 2。由此可见,从 1990年到现在, 欧洲轿车柴

9、油机的升功率提高了约一倍,使柴油机升功率达到将近 70kW/l,这 足以与汽油机的升功率媲美。 这种技术的进步主要是通过采用电控高压燃油喷射 技术 (特别是电控高压共轨技术 和先进的具有高增压压力的涡轮增压中冷技术 可变喷嘴环的涡轮增压器(VNT 、可变几何截面的涡轮增压器(VGT 或 通过电动辅助的涡轮增压器(MAT 等技术措施取得的。图 7欧洲汽车工业协会(ACEA 确定的 CO 2排放的减排目标。根据这个计 划,今年,欧洲轿车的 CO 2排放量应为为 140g/km,未来要使 CO 2排放达到 115g/km的水平。为实现这个目标必须进一步提高升功率,提高燃烧效率和机械 效率,使发动机小

10、型化。图 8为重型柴油机取得的技术进步 3。 图 7 欧洲汽车工业协会确定的 CO 2减排目标图 8 重型柴油机技术进展由图 8可见,在过去 30多年里,重型柴油机在动力性、经济性和排放性能 各方面都获得了全面的、巨大的改善,其升功率提升了一倍多,比油耗下降了 15%以上, NOx 排放下降了 90%,颗粒(PM 排放下降了 99%以上。3 未来车用柴油机的主要要求和发展方向柴油机作为各类车辆的原动力装置需要满足各种各样的要求。 驱使柴油机技 术进步的因素有很多。首先,要符合政府的政策、法规和环保的要求,包括排放法规、节能(或控 制 CO 2排放法规,安全、噪声和再回用标准等等。由于能源特别是

11、石油资源 是一种战略资源,涉及各国能源战略的安全,因此,各国政府都非常关心。从某 种角度来说,节能是各国政府的头等大事。其次,要满足各类客户(用户的要求。用户总是对价格和成本非常关心, 希望购买价格、 运行成本、 维修保养等费用要低。 这就要求柴油机具有低的制造 成本和价格,高的燃油经济性、较少的机油消耗,高的可靠性和耐久性,以降低 运行、 维修费用。 此外, 用户还十分关心车辆的动力性、 驾驶性能和舒适性能 (往 往要求有更大的功率、采用更大的排量 ,要求发动机的动力性不断提高,功能 不断增加, NVH 不断改善,有驾驶的乐趣,有更多的特点或个性。特别需要指出的是,随着石油资源的枯竭、短缺、

12、紧张和价格的攀升,机油 和燃油的消耗问题变得更加突出, 人们非常关心燃料的经济性因素。 尤其对于像 中国这样人口众多、人均资源稀少、经济快速发展、能源消耗日增的大国来说, 节能更是摆在政府、内燃机行业和内燃机科技工作者面前的首要任务。第三,要满足市场和营销(商务方面的要求,要根据其市场用途、特点, 决定采用的技术路线、配置,提供满足市场要求、具有竞争力的产品。第四,成本和价格要低。为确保低的价格、高的利润回报,要求柴油机的开 发成本、技改投资成本、采购成本、生产制造成本要低,开发周期要短,要用最 低的能够承受得起的成本制造出满足各种要求的产品。综合起来,对柴油机的主要要求有:动力性能要求:具有

13、高的比功率、高的平均有效压力(BMEP 。经济性能要求:低的燃油消耗、低的制造成本、低的使用成本、低的维护成 本。排放性能:要满足日益苛刻的排放指标要求,从欧到欧、欧、欧直 至实现“零”排放目标。运行使用性能:要求操作使用简单、可靠,维修方便,对车辆来说还要求具 有良好的加速性能和 NVH ,特别是要具有良好的瞬态响应能力。此外,还要求有高的可靠性、耐久性。因此, 面对节能、 减排等日益严格的法规以及人们不断增加的对柴油机的苛 刻要求,柴油机面临着越来越多的挑战。其最大的难点就是在控制 NOx 和 PM 排放的同时,要使柴油机保持良好的燃料经济性。然而,不仅柴油机的 NOx 和 PM 排放是一

14、对矛盾,而且它们与燃油经济性 之间也是存在矛盾的。即在一般情况下, NOx 下降,则 PM 增加,燃油耗恶化。另一方面, 到目前为止, 柴油机还没有找到一种像汽油机的三效催化器那样 的、十分有效的后处理技术来解决所有的排放问题。因此, 降低柴油机的 NOx 和 PM 排放, 特别是要满足欧以后的排放标准、 提高燃料经济性是一件非常复杂的事情, 通常需要采用先进的电控高压燃油喷射 技术、 先进的增压中冷技术、 先进的燃烧控制技术、 先进的后处理技术等一系列 先进的技术, 通过把它们集成或组合起来应用, 才能满足未来严格的柴油机排放 标准。 而这些先进的技术手段或装置的应用通常需要花费很大的人力、

15、 物力和财 力,需要复杂的匹配开发过程,成本很高,装置很昂贵。故,今后的柴油机能否 以较低的、能够承受的成本满足日益严格的排放标准,保持良好的燃油经济性, 是摆在我们面前十分严峻的课题!所以, 有人自然会问:未来的柴油机能满足这些要求越来越高、 标准越来越 苛刻的挑战吗?回答是肯定的。业内专家普遍认为,至少在今后 2030年内,内燃机特别 是柴油机由于具有高的功率密度、 相对低的制造成本、 较好的可回收性、 长的续 行里程、 完善的燃料供应的基础设施, 还能适应多种燃料等等优势, 与其他替代 动力相比在迎接未来挑战方面仍然具有很大的竞争力。柴油机要满足严格的排放法规, 首先必须减少缸内的原始排

16、放量, 使燃料能 够在柴油机气缸内实现清洁、 高效的燃烧, 与此同时还必须满足对高功率、 高扭 矩(动力性 、低的燃油消耗率和低的排放、低的噪声、低的成本、高的耐久性、 高的可靠性、 高的瞬态响应能力等等要求。 其关键技术在于先进的燃烧系统设计 和燃烧技术的开发,而核心是先进的高压燃油喷射系统和增压系统的技术。 图 9表示一种先进的低温燃烧(LTC 技术概念,这是当前世界内燃机领域 研究最热门的也是最新颖的燃烧系统技术(概念 。所谓低温燃烧,就是一种低 NOx 燃烧过程。如果将燃烧温度控制在 1900K 以内,那么其原始的 NOx 排放就会大大减少(几乎接近于“ 0” 。低 NOx 燃烧过程有

17、很多种概念或叙述, 如:HCCI , PCCI , pHCCI , UNIBUS , PREDIC , MK , NADI , ACCP , HCLI , HCDC 。图 10为柴油机两种低温均 质燃烧方式。 一种是在进气过程终了阶段开始喷油, 另一种是在膨胀、 排气终了 阶段开始喷油。这种低温燃烧的主要特点是:可以采用大量的 EGR 率,从而可以大范围限 制缸内充量的温度, 另外, 先进的喷油策略可以使得在燃烧开始前燃烧室内的混 合气更均匀。在部分负荷工况,能大幅度降低 NOx 和 PM 排放,而又不会使燃油耗增加 第 6 页 共 17 页或者使燃烧噪声恶化。但是,在大多数工况下 HC 和

18、CO 会增加。然而, 在较高负荷, 特别是全负荷工况下, 要么很难要么就是根本不可能达 到部分负荷那种柴油机低温燃烧。这就要求开发新的控制策略,使发动机能够在低温燃烧模式和常规燃烧模式 之间进行自由切换,而在较高的负荷时,能够按照常规燃烧方式进行工作。因此,实现低温燃烧的关键就是:一种能够在各种负荷和转速工况下能根据增压压力和 EGR 率有效提供正确的混合气的增压 /空气处理 /EGR系统。图 9 柴油机的低温燃烧概念随着高度柔性的先进电控柴油高压喷射技术、 先 进的电控增压中冷 /空气处理系统和先进的后处理系统等柴油机及其周边技术的 不断进步、 取得新的突破, 在不远的将来, 这种先进的燃烧

19、技术将得到推广应用。所以说, 未来柴油机将展现出巨大的发展潜力。 图 10 柴油机两种低温均质燃烧 (迟的和早的综上所述, 围绕节能、 减排、提高动力性等的要求, 需要为未来柴油机开发先进的燃烧和后处理系统,主要方向包括:先进的高度柔性的高压燃油喷 处理(EGR /增压 后 处 理 技 术 :如DOC 射系统。先进的空气 技术。先 进 的 、 、 POC 、 DPF 、 SCR 等。先进的(有竞争潜力的集成控制系统:将燃烧、空气处理、后处理器及其 再生等各种控制功能集成在一起。小型化(downsizing 、轻量化技术,以不断提高升功率和扭矩、减少燃油 消耗和 CO 2排放。第 7 页 共 1

20、7 页为适应新技术的应用,需要设计新结构,拓展新材料、新工艺、新能源在发 动机上的应用。另外, 为了满足越来越高的要求, 未来柴油机的控制柔性将越来越高, 并将 向全电子控制发展,实现可变气门正时 (VVT、可变气门机构(VV A 、可变增 压器几何截面(VGT 、可变增压器喷嘴 (VNT、电控废气再循环(EEGR 、可 变压缩比(VCR 、可变冲程、可变气缸排量、可变空气运动(可变涡流、滚流 强度,可变进气管长度 ,等等。4 未来柴油机对燃油系统的主要要求柴油机电控高压喷射技术是满足日益严格的排放法规,改善燃油消耗,实现 节能减排目的最主要的决定性因素。 为此, 对柴油机燃油喷射系统提出了更

21、高更 严格的要求,如要求喷射系统具有非常高的控制柔性(自由度 ,具 有多次喷射能力,能够控制喷油速率形状,最高喷射压力能够达到200MPa 以上。 45 6为此,未来柴油机对燃油系统的主要要求(如图 11、图 12、图13和图 14所示 :图 11 对喷油系统的要求喷油压力不断提高,且与转速、负荷无关、控制灵活。能够精确计量和控制喷油量,特别是最小稳定喷油量要小且可控。良好的喷雾特性:贯穿度、喷雾锥角、喷雾粒径及其分布要适当,雾束要与 燃烧室形状和燃烧室中的空气运动相匹配。正确、灵活可变的喷油正时,合适的喷油持续时间。合适的扭矩特性,转速适应范围要宽广。瞬态响应性能要好,以适应动态排放和性能要

22、求。噪声要低(包括机械噪声和燃烧噪声 。高的喷油速率和合适的喷油率形态:通过控制喷油率形状以控制燃烧速率形 状、压力升高率,降低燃烧噪声和颗粒排放,改善 NVH 。在高速区域要求供油 速率高, 充分利用喷射能量来促进扩散燃烧; 控制开始时的喷油速率以控制 NOx , 通过快速断油以控制 PM 和 HC 。为此, 要求在喷油开始时可以控制针阀开启, 使得在着火滞燃期内有低的喷 第 8 页 共 17 页油率和平缓上升的喷油率形态, 而且这也有利于保证喷油过程和喷油率形状的一 致性; 而在着火以后要求针阀开启速度很快, 使喷油率快速提升; 在喷油结束时 针阀的关闭速度也要很快,即能够实现 “ 先缓后

23、急 ” 的喷油率形态,使 碳烟排放和油耗最低。无不规则喷射,但可以根据需要控制喷油次数:能够实现预喷、分段喷射或多次喷射,如早的预喷、迟的预喷、主喷、早的后喷、迟的后喷(根据后处理策略需要 ,并为稀 NOx 催化器提供排气中所需要的足够的 HC 和有利的排气温度。图 12 轿车柴油机的理想喷油率要求 喷射压力可根据 发动机的转速和负荷任意选择,根据不同的喷油阶段调节喷射压力以获得最佳的扭矩 特 性 和 最 低 的 排放。希望在喷油过程中喷射压力呈逐渐上升的压力特性,但针阀关闭时的油压要小以减少小升程时喷射特性差的喷油量。在全负荷额定转速工况要求有足够的最大喷射压力以满足额定功率和排放的要求。而

24、在某些工况采用比较矩形的喷油波形,提高部分负荷时的平均有效喷射压力,以适应高EGR 率的要求。图 13 柴油机的理想喷油率要求 图 14 重要喷油参数对 发动机性能的影响成本要低, 在发动机上的安装、布置要方便。第 9 页 共 17 页安全性、可靠性、寿命和维修性能等要好。图 15为柴油机对放热率和喷油率的要求。影响喷油系统 和发动机性能的参数有很多。而对发动机性能影响敏感的喷油系统主要参数包括:喷油系统的预喷射 (预喷射次数,时间间隔,油量和变动量等 、 针阀开启压力和压力的上升梯度、最大喷油 压力、 喷孔直径、 针阀关闭时的压力差、 后喷 (早的后喷、 迟的后喷和后喷压力 、 针阀开启和关

25、闭速度,等等。图 15 柴油机对喷油率和放热率的理想要求 这样, 常见的喷油系统, 如电子调速器控制的直列式喷油泵、 滑套控制喷油 正时的电控直列泵(TICS 、电控分配泵、电控单体泵(EUP 、集成电控单体泵 (FEUPI 、 电控泵喷嘴 (EUI 、 液压驱动的电控泵喷嘴 (EUI 、 高压泵喷嘴 (HPI 等很难满足今后柴油机发展的需要。所以,满足未来要求的燃油喷射系统主要有电控高压共轨系统(CR 、智能 型喷油系统(如 Delphi 公司的智能型喷油器 Smart E3 injector等。除此以外, 高压喷射以后, 燃料的温度会急剧升高, 所以, 高压喷射系统燃料的冷 却和温度控制也

26、是未来控制系统的关键。5 未来柴油机对增压系统的要求柴油机的发展历史就是其平均有效压力 (BMEP不断提高的历史,这种趋势今后还将继续。 BMEP 的增加需要通过增加空气流量或空气密度, 即提高进气压力采用增压 /增压中冷技术来获得。图 16 进气压力对柴油机 功率和烟度影响柴油机除了要求不断增加功率以外, 还 第 10 页 共 17 页要求严格地控制排放。这就要求发动机具有更高的进气压力 更高的增压度, 同时还要严格控制进气温度,吸入更多的空气,以提高空气 /燃料比,获得更稀 的混合气。图 16为提高进气压力对柴油机升功率和黑烟的影响。由此可见,随 着进气压力的提高柴油机的升功率大幅度提高,

27、而烟度大幅度下降。现在, 增压技术在柴油机上已经得到广泛应用。 采用增压技术的好处, 有利 于提高功率和扭矩、改善燃油消耗,改善扭矩曲线形状,减小比尺寸,虽然成本 增加,但性价比改善(提高 。但是, 车用涡轮增压柴油机的工作往往受到以下几方面的限制:在低速工况, 受到烟度极限限制;在中等转速全负荷工况,受到气缸压力(即最大机械负荷 的限制; 在高速工况, 受到最高温度和最高涡轮转速的限制。 由于车用柴油机的 转速和负荷变化范围很宽广, 涡轮增压器与车用柴油机要实现良好的匹配通常是 较困难的。柴油机的增压器有萝茨鼓风机式、旋转螺杆式压缩机和废气涡轮增压等多种形式。 前两种形式增压器的优点是能够在

28、低速工况产生足够的增压压力, 但是, 这种机械增压器是由发动机曲轴驱动工作的, 并不能降低燃油消耗。而废气涡轮增压器由于尺寸小、流量大, 加上它是依靠废气涡轮来回收部分废气中的能量,能够降低燃油消耗,是高功率、低排放柴油机必不可少的装置。 但是, 常规的废气涡轮增压器有其固有缺点:如果增压器特性根据高速工况进行优化匹配, 那么当 发动机转速较低时, 由于废气中的能量很低, 不能产生足够的增压压力, 柴油机 低速扭矩很低。 而在瞬态工况下, 涡轮增压器由于自举效应和涡轮的惯性, 扭矩 提升存在滞后现象(图 17 ,不能跟随喷油量的增加,影响加速性能和自由加速 烟度。如果涡轮增压器特性按照低速性能

29、要求来优化,那么,在高速工况,由于 作用在涡轮进口处的进口压力较高,将使燃油消耗增加。图 17 柴油机的瞬态 扭矩随时间的变化因此, 开发在整个发动机运行范围内能够产生足够的增压压力、 如何提升低 速时的增压压力、 提高发动机低速扭矩和瞬态响应能力是增压系统需要加以考虑 和解决的问题。图 18给出了提高发动机低速增压压力(扭矩的一些方法。图 19表示当采 用电动辅助涡轮增压以后柴油机低速扭矩的提升。 由图 18和图 19可以看出, 对 于目前在欧美轻型车用柴油机上广泛使用的 VNT 涡轮增压器而言,通过调节喷 嘴环虽然可适当提高低速增压压力。 但是, 由于低速时废气能量很低, 低速增压 压力的

30、提升很有限, 相反则增加了发 动机的背压。 如果采用电动辅助增压技术, 可以使低速增压压力大幅度提升。 而如果在采用 VNT 或 VGT 涡轮增压器同时再加上采用电动增压装置, 则可以达到大排量发动机的低速扭矩水平。 这种装置在高速工况还可以用作发电机来回收废热能量。因此, 可以设想这种增压系统可以大幅度改善燃油消耗(见图 20 。图 18 提高发动机低速扭矩的方法当前商用要求的增压压比已经接近现有单级涡轮增压器的极限 (它 受涡轮机和压气机叶轮采用的铝合金的强度限制 。如果要进一步增加增压压力 只有采用特殊的材料或采用多于一级的压气机。图 19 采用电动辅助的涡轮 增压柴油机的低速扭矩另一方

31、面,进气温度对发动机性能和排放有很大的影响。图 21表示进气温 度对比油耗和 NOx 排放的影响。增压以后发动机的进气温度会大幅度增加。因此,为了获得理想的性能和NOx 排放需要对压气机后、进入气缸前的空气进行冷却,严格控制进气温度。满足未来排放要求的进气温度应控制在 40以内。所以,高效中冷器的优 化设计也是非常重要的。 为了更好地改善发动机性能和排放, 未来对增压系统提出了很高的要求。 除 了要提高中高负荷 /转速下的增压度和增压效率以外,还要提高低速增压压力, 特别是要提高增压器的瞬态响应速度和能力。 为此, 未来增压系统除了采用上述 系统以外将向采用两级甚至多级涡轮增压系统、 复合涡轮

32、增压系统、 采用多个涡 轮增压器等方向发展。 与此同时, 为了与燃油喷射系统更好地匹配, 更好地满足 未来柴油机的要求,需要采用优化的控制策略和控制方法。图 20 带发电机的电动辅助涡轮增压柴油机燃油消耗率的提高 图 21 进气温度对比油耗 和 NOx 排放的影响 6 燃油系统与增压系统的匹配柴油机实现清洁、高效燃烧的关键是:组织并形成良好的油 -气混合气,选 择合适的燃烧方式, 采用先进的燃烧控制技术。 为此, 必须对燃油系统、 进气 (增 压系统和燃烧室等进行优化、匹配(图 22 ,需要进行燃烧室开发,优化活塞 顶燃烧室凹坑形状, 控制喷雾与空气流运动的相互作用, 改善油气的匹配, 促进

33、混合气的形成和燃烧(如图 23所示 。众所周知,燃料的完全燃烧需要一定量的空气。在理想状态下, 1kg 柴油完 全燃烧需要约 14.3kg 的空气,即理想空燃比 l 0=14.3:1。事实上,在实际柴油机 工作过程中, 为使燃料完全燃烧所需的空气量往往要超过理论所需的空气量, 即 实际所需的空燃比 A/F应该要>14.3, 用过量空气系数来表示通常要求>1.3 。小当然不利于改善燃烧过程。但是,必须注意,也不能太大。一方面, 空气过量,空气不能得到充分有效利用,也是一种能量损失;另一方面,根据排放法规,从比排放的计算公式来讲,空气量多会使比排放增加。 图 22 先进的发动机控制方法

34、满足未来要求柴油机的燃油系统和增压系统的匹配是很复杂的,除了要根 据发动机的功率、 扭矩、 外特性和燃油经济性的要求进行匹配, 选择合适的燃油 系统和增压系统参数, 满足烟度、 排放甚至加速性等的要求以外, 还要适应新的 燃烧方式和进行燃烧方式切换的要求。 不但要满足稳态性能匹配的要求, 更要关 注并满足瞬态匹配动态响应的要求。所谓稳态工况的匹配就是要根据发动机排量和各工况功率、 扭矩等发动机性 能、 排放以及噪声的要求, 以适当的空气运动方式供给合适的空气量,选择合适的增压器参数,喷入合适的油量,确定喷油的时刻、压力、调整喷油率的形态,等等。总之,进气过程、进气量和进气空气特性应当与喷油过程

35、、喷油量和喷射特性进行良好匹配。图 23 燃烧室优化及其与油束的匹配柴油机增压以后,由于增加供油量,燃烧压力、机械负荷、热负荷、燃烧温度、 NOx 排放、噪声等都会相应增加。因此,在进行燃油系统匹配时通常需要 提高燃油系统的工作能力,适当推迟喷油时间。稳态工况的匹配虽说相对简单 。但对于车用柴油机来说,要取得良好的匹 配效果也是不容易的。为此,也希望喷射系统和增压系统的参数能够灵活控制, 即最好采用先进的电子控制系统。匹配时的约束目标可以是油耗、排放、噪声、 最高燃烧压力等等或它们的综合,既可采用实验优化设计方法(DOE ,也可采 用 Willans 曲线分析方法。关于瞬态工况的匹配是极其复杂

36、的,不但要满足加减速工况、 ELR 和 ETC 等瞬态测试循环要求, 还要满足低速加速性能要求, 克服增压系统自举迟缓的缺 点。 故要求空气的变化响应能够跟随燃油的变化响应, 而油量的变化响应应当能 够适应空气的变化响应。在加减速过程中, 一方面希望燃油喷射过程、 喷油量、 喷油压力和时间等等 喷油过程参数能够根据油门的动作要求进行控制和跟随, 满足驾驶的要求。 与此 同时, 要求增压系统也能根据油门的变化立即响应。 特别是为了提高加速响应性 能,不仅要求增压系统转动惯量要小,要轻量化,能够产生足够的增压压力,而 且要提高低速喷油量以提高低速扭矩和加速性。 为此, 需要采用电动辅助增压技 术等

37、先进的增压系统。 另一方面, 为了改善瞬态排放和性能, 增压系统的动作响 应应该比燃油系统要稍早一些, 所以, 燃油系统的控制不但要能够跟随油门信号 迅速响应,还要去适应增压(进气系统的要求。此时油气的综合控制很关键! 为此,燃油系统、增压系统必须采用智能、柔性的控制技术,必须优化系统 的控制逻辑、 控制策略、 控制算法, 使燃油系统的控制能够与增压系统的控制协 调一致。为使燃油在低速工况时能够与空气进行良好的混合燃烧, 需要进一步改善喷 射系统的低速性能, 即需要提高低速时的喷射压力、 优化喷射速率形态、 采用多 次喷射、改进控制策略,等等。当采用低温燃烧 LTC 和高 EGR 率工作方式时

38、, 燃油系统和增压进气系统之 间的匹配更为复杂。一方面燃油系统和增压系统要适应高 EGR 率、高热负荷和 EGR 率的动态变化,另一方面,还要适应燃烧模式随时切换的动态要求。 7 结束语随着未来对柴油机的要求不断提高, 为了使柴油机满足动力性、 经济性、 排 放性能、可靠性、耐久性、加速性能、 NVH 以及瞬态响应性能等各种严格要求, 对燃油喷射系统和增压系统进行优化匹配将成为最关键、 也是最为复杂的工作内容。它们除了要满足稳态性能要求以外，还要适应高 EGR 率的要求，要根据加 速性、瞬态响应、瞬态排放和其他瞬态性能要求进行瞬态或动态优化匹配，要满 足燃烧方式切换的要求。因此，需要先进的电控

39、高压燃油喷射系统、先进的增压 /空气处理系统、先进的控制策略和控制算法。此外，采用高喷射压力、高增压 后，燃料和空气的冷却、机械负荷等问题变得非常突出，所以，必须对它们进行 改进、优化和强化，提高机械系统的可靠性，提高冷却系统的冷却效果。 参考文献 1. Bradley Berman, Business week, March 05, 2008 2. Hiroshi Uchida. Trend of Turbocharging technologies, R&D Review of toyta CRDL, vol. 41 No.3 3. Steve Arnold, Craig Bali

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